CN101548585A - 用于给电负载如光源馈电的单元装置、对应电路和设计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动比如用作照明源的高通(HF)LED的电负载的电路装置包括：开关功率源(10)，提供以切换频率(Fsw)切换并且具有给定幅度(Vout)的电压信号；以及连接到开关功率源(10)的多个单元(20)，其中LED单元(20)各自包括用于限定从开关功率源(10)流入LED单元(30)中的电流强度的LC去耦阻抗(50)。LC去耦阻抗(50)包括LC部件，这些LC部件限定谐振频率(Fres)，使得开关功率源(10)的切换频率(Fsw)是LC去耦阻抗(50)的谐振频率(Fres)的大约一半，由此无论LED单元(20)上的负载如何都保持流入单元中的电流的平均强度恒定。

Description

用于给电负载如光源馈电的单元装置、对应电路和设计方法

技术领域

本发明涉及给如光源的电负载馈电，该光源例如是发光二极管(LED)。

本发明是通过特别关注本发明可能应用的高通量(HF)LED来设计的，高通量LED正在越来越多地用作照明源。然而提及该优选的应用领域并不理解为限制本发明的范围。

背景技术

在上文提到的背景中，常常需要并联数个单元(cell)，这些单元包括光源，比如需要恒定电流的半导体光源，如LED。

迄今为止，已经用两种方式基本上解决这一问题，即：

-如果从压控源给单元馈电，则通过为各独立单元添加一个电流调节器，或者

-如果经由高频(HF)生成器给单元馈电，则将某类去耦合网络与各单元关联。

需要用于每个单元的电流整流器的那些解决方案本质上复杂且昂贵，尤其是对于低成本的应用。采取去耦合网络的解决方案可能在向与单元关联的一个或者多个光源如一个或者多个LED馈送的信号中引入HF波纹(ripple)，这不可避免地减少这些光源的有用寿命。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种改进的装置，该装置生产起来简单、低廉而又给予如下可能性：避免在向电负载如一个或者多个LED提供的信号中存在HF波纹和/或独立地对包括连接到单个功率源的多个单元的电路装置中的各光源调光。

根据本发明，该目的利用具有权利要求1中所阐述的特征的单元装置来实现。本发明的有利发展形成从属权利要求的主题。本发明还涉及包括多个这样的单元的电路装置以及用于设计这样的电路装置的方法。权利要求是这里提供的本发明的公开内容的组成部分。

这里描述的装置例如提供以下优点：

-简单的系统结构；

-基于无源元件的简单而准确的电流控制，使得可以独立地调整向各光源单元馈送的电流；

-可以独立地对各个单元/光源调光；

-可以将新单元添加到现有的装置而对现有装置的特性和性能没有不利影响；并且

-主电源良好的效率和全负载时良好的有功/无功功率比。

这里描述的装置可能的使用不限于LED单元。

这里描述的装置可以有利地用于需要恒定电流以恰当地工作的各种光源。例如，从这里描述的相同HF功率源装置可以供应一个或者多个放电灯而无需使用输出整流器。对于这种光源，通常进行功率控制而不是电流控制，因为这些灯在某些情况下可以表现负阻抗，这使得很难进行电流控制。

这里所述的装置避免任何基于反馈的控制系统；由于向各负载馈送的电流由与之关联的去耦阻抗自动地限定，所以阻抗特性变得无关。

通过选择合适的阻抗，甚至可以将卤素灯——通常经由HF电压源(电子变压器，例如Halotronic)驱动卤素灯——与HF功率源并联连接。在这种情况下也可以省却整流器并且可以直接地向灯施加HF电流。

更一般而言，需要恒定电流的任一种电负载(即使与照明无关)都可以连接到这里描述的总线装置。这样的负载的示例是电池充电器，对于该电池充电器而言一旦已经选择充电电流就可以识别正确的阻抗。

概括而言，即使存在用于各负载的不同源电流，这里描述的装置的优选总线式实施例也可以用于给不同种类的电负载(比如需要恒定电流的光源)馈电。

因此这里描述的总线装置是通用的并且易于使用。例如，如果针对经由总线装置来馈电的负载之一采用的新技术带来电流方面的新要求，则无需改变主电源，并且可以通过改变去耦合阻抗以便例如允许向新负载馈送更高的电流(当然考虑最大可用功率方面的一般限制)来适应电流方面的不同要求。

附图说明

现在将参照附图仅作为示例来描述本发明：

-图1是如这里所描述的包括多个单元的电路装置的示意框图；

-图2至图4是有助于理解这里所描述的装置的操作的代表信号的时间特性的示例图；

-图5是示出了图1中所示装置的发展的另一框图；

-图6示出了适合于与图1和图5的两个实施例结合使用的有利改进；并且

-图7是代表这里所描述的装置的操作的另一时间图。

具体实施方式

总体来说，图1、图5和图6都涉及电路装置，包括：

-功率源10；和

-多个单元20，具有这里由光源如半导体光源(例如LED)代表的关联的相应的电负载。

在这里描述的示例性实施例中，各单元20包括一个或者多个光源。在本示例性说明书中将通篇地考虑LED作为这些光源的示例。从电的观点来看，LED如高通量(HF)LED被表示为二极管L和关联寄生电阻器L_R的串联连接。

各种LED单元20经由实质上采用总线式(bus-like)结构这一形式的连接结构30连接到功率源10。这里描述的电路装置使得有可能将几个LED单元20连接到总线结构30，这些LED单元可以被配置为基于单元的具体要求来汲取(draw)不同的固定电流值。为了简化的目的，在图5和图6的框图中示出了单个LED单元20；然而将理解有关的电路装置将事实上如图1中所示包括多个LED单元20(例如三个LED单元)。

通常，功率源10采用适合于将电压信号递送到总线结构30上的高频源形式，该电压信号包括具有恒定幅度Vout的方波，例如在+Vout与-Vout之间以例如48kHz的频率Fsw切换的信号，其中|Vout|理论上(notionally)恒定——除了如下文讨论更多的那样可能存在电压波纹。

在这里考虑的示例性实施例中，功率源10是半桥逆变器，该逆变器包括在半桥装置中与两个电容器14a、14b连接在一起的两个电子开关12a、12b(比如两个MOSFET)。根据公知的操作原理，两个开关12a、12b通过两个相应的驱动源16a、16b以频率Fsw交替地接通和关断以将输入直流电压V交替地连接到变压器18的初级绕组18a。如先前所述，具有切换频率Fsw的方波输出因此经由变压器18的次级绕组18b馈送到总线结构23。

各单元20包括整流器模块。这可以包括全桥整流器22(与图1中上方两个LED单元20以及图5和图6中的LED单元的情况一样)或者如图1中针对下方的LED单元20示意性地示出的倍压器结构24。在又一可替换的装置(未示出)中，LED单元20可以包括取代倍压器24的电压倍增器。任何整流器模块和倍压器/电压倍增器本身都是公知的结构并且无需在这里具体地加以描述。

因此在各LED单元20上拆分整流，并且由功率源(即逆变器10)“所见”的等效LED电压没有超过功率源的输出电压。例如，如果向总线结构30施加的电压是在+24V与-24V之间切换的方波，那么如果LED单元20使用全桥整流器来连接，则具有不超过24伏特的最大正向电压。具有更高的最大正向电压(例如在48V的范围中)的LED单元使用倍压器(见图1中的元件24)或者电压倍增器来连接。

在图1、图5和图6的框图中，LED单元20经由总线30连接到逆变器输出，其中LC(电感-电容)去耦阻抗50介于其间。示出的各阻抗50包括电阻器R(出于下文描述的目的，R代表阻抗中的损耗而事实上可以忽略)、电感器L和电容器C。图1中所示各种去耦阻抗50表示为RLC1、RLC2、RLC3以便强调(如下文中更详细描述的那样)针对各去耦阻抗50可以不同地选择用于电感器L的电感值和电容器C的电容值。

这里描述的装置依赖于LC阻抗的能力，以使得无论向单元输出施加的由一个或者多个LED代表的负载如何(例如无论这样的单元输出是短路还是被加载最大负载)都维持各LED单元20的输入处的电流的恒定(平均)值。

如果满足以下要求则可以实现这些结果：

-功率源也就是逆变器10的输出电压具有基本上恒定的幅度+/-Vout(除了可能存在叠加于其上的波纹)，并且

-逆变器频率Fsw是去耦阻抗的谐振频率 $\mathrm{Fres}=1/\left(2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}\right)$ 的大约一半。

功率源频率Fsw是LC谐振频率Fres的“大约”一半这一表述明显地旨在于突出这里所描述的装置即使没有完全地满足Fsw＝Fres/2的关系，仍然能够以完全令人满意的方式操作。事实上必须考虑与实际上获得这样的关系有关的固有容差，并且申请人迄今为止进行的实验表明在典型的情形下Fsw将略低于Fres的一半。此外，在本说明书的最后部分中将描述造成频率Fsw相对于它的标称值“摇摆”大约+/-5-6％以便补偿在馈送电压V上可能叠加的波纹的可能性(见图1)。

如果满足上述条件，则经由总线30向各独立LED单元20施加的电流将具有由去耦阻抗的特征阻抗 $\mathrm{Zo}=\sqrt{L/C}$ 限定的基本上恒定的平均值。

通过参照图2至图4的图表可以最好地理解图1、图5和图6中所示装置的实际操作。这些图表中的各图表分别包括表示为(a)和(b)的两个叠加部分。图2a至图4a的图表代表横跨LED单元负载(即一个或多个LED L)的电压的时间特性，而图2b至图4b的图表代表在LED输入处的电压的时间特性。在图2至图4的所有图表中，横坐标刻度代表时间(毫秒——在图2的情况下刻度略有放大)，而纵坐标刻度代表电压信号幅度(伏特)。

图2的图表涉及LED单元20在它的输出处短路(或者具有接近0的输出电压)。最大电流为Ires＝Vout/Zo。当电压Vout施加到该单元时，对应的LC阻抗上的电流将按照可以与正弦波形的一部分基本上平行的时间轨迹从零开始达到最大正值、然后是最小负值、最终返回到零。该过程在施加具有相反极性的电压时重新开始，该重新开始的过程首先达到负峰值。

如果在单元输出处的负载增加，则第一峰值电流增加而第二峰值电流减少。然而，如图3中示意地所示，第二峰值以保持平均电流的绝对值恒定这样的方式减少。

最后，如果单元负载上的电压逼近值Vout，则如图4中示意地所示，第一峰值达到最大值而第二峰值几乎为零。

在考虑的所有情况中，平均电流的绝对值恒定而它的值为Iavg＝Ires_Max/π，其中Ires_Max＝2×Vout/Zo。当负载电压略小于时达到该值(如通过参看图4来更好地理解的那样)。

如图1中大体上所示的装置可以基于下文描述的过程来这样设计，即依赖于如下基本概念的过程：选择各单元20的LC去耦阻抗50的LC部件，使得功率源(即逆变器10)的切换频率Fsw是LC去耦阻抗50的谐振频率Fres的大约一半。

优选地，作为设计过程中的第一步骤，考虑功率源10的特征。措辞“考虑”是用来突出功率源10事实上可以是已经存在并可以得到的源这一事实。在所示实施例的情况下，限定交变电压Vout的幅度的逆变器的切换频率Fsw和变压器18的匝数比(turn ratio)是考虑的主要特征。

然后，根据各单元20所期望的(平均)电流强度来限定该单元的去耦阻抗Zo的值：在LED用作照明源的情况下，该电流强度通常由所期望的照明功率(lighting power)规定。

去耦阻抗50的两个电抗元件(电感L和电容器C)的值因此可以以这样的方式被选择使得具有接近逆变器频率Fsw的两倍(理论上相同)的谐振频率Fres，即Fsw＝Fres/2。对应关系、即 $\mathrm{Zo}=\sqrt{L/C}$ 和 $\mathrm{Fres}=1/\left(2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}\right)$ 以唯一的方式确定L和C的值。

图5的框图涉及图1的基本方案可能的发展：再次重申在图5和图6的框图中为了简化的目的示出了单个单元20，而事实上有关的装置包括多个单元。

具体而言，图5涉及其中在LED单元20的输出处需要特定电压的情况。在该情况下，分别具有初级和次级绕组60a和60b的变压器60介于单元20的去耦阻抗50与整流器22之间。可选地可以提供变压器60的初级与次级侧之间的可选的绝缘。

由于存在变压器60，一个或者多个LED上的最大电压VLED_max为VLED_max＝Vout_max×N2/N1，其中N2/N1是变压器60的次级与初级匝数比。

变压器60在理论上允许为电压VLED_max获得任何精确的、所期望的值。相反地，电压倍增器(作为图1中表示为24的倍压器)将允许为VLED_max仅获得是电压Vout的整数倍的值。

在存在变压器60的情况下，将通过考虑变压器匝数比N2/N1来选择阻抗Zo。因此根据平均功率平衡Pin_trafo＝Pout_trafo＝P_LED_cell，必须减少阻抗Zo以便增加变压器初级侧上的电流，其中上述等式中的三项分别代表对变压器的输入功率、变压器的输出功率和向装入壳中(casketed)的LED单元元件施加的功率。

将理解去耦阻抗50的电感部件L可以至少部分地由变压器60的漏电感Llk代表(即可以包括漏电感Llk或者完全地由漏电感Llk组成)。通过保持匝数比N2/N1恒定，可以改变具体的匝数N1和N2以便为Llk获得所期望的值。

如果无需绝缘电压，则具有更少的匝数和更简单的机械结构的自耦变压器(未绝缘)可以被用作变压器60。

在这里描述的装置中，可以使用具有比组成总线30的线的寄生参数明显地更高的值的电抗元件。因而，这里描述的装置表现出对寄生参数的负效应的良好的抗扰性。总线30可以包括长度为若干米的线，由此产生如下实际的总线结构，各独立LED单元20可以通过提供简单的无源LC去耦阻抗50来连接到该实际的总线结构而无需采取附加的开关或者后置调节器(post regulator)。此外，这里描述的装置确保流过总线30的无功功率与有功功率(也就是向LED单元提供的有功功率)之间的适当比率。该比率往往随着输出功率增加而减少，输出功率因为LED单元上的电压的增加而增加。这是一个优点，因为效率随着由负载汲取的功率增加而增加。当单元上的电压Vcell达到它的限制值(Vout、即来自逆变器10的峰值电压)时，无功功率约为有功功率的1.5倍。

这里描述的装置的附加的、显著的优点在于可以通过使用与LED L关联的低频电子开关70(见图6的框图)如MOSFET、采取脉宽调制(PWM)方案来独立地对各LED单元20调光。调光开关20由PWM调制的调光驱动器72来驱动(以这里无需具体描述的、本身已经公知的方式)。

开关70可以与一个或者多个LED串联或者并联连接。

在并联连接(未具体图示)时，开关70横跨包括一个或者多个LEDL和电阻R_L的组件而连接，使得开关70在导通时使一个或者多个LED短路。

并联连接(适合于以接地为参考的LED)具有使其本身通过使用廉价的低端驱动器(low-side driver)来实施的优点。由于短路电流被完全地控制的事实(LED单元即使被短路也从总线30汲取相同的平均电流)而可以采用该方法。事实上，电流流过开关70而不是流过一个或者多个LED。这造成少量功率在线和部件中耗散而没有任何有用的(即光)输出。

作为(图6的框图具体地涉及的)可替换的方式，开关70可以与单元中的一个或者多个LED串联连接使得在开关70没有导通时将单元20从接地断开。该装置的有利之处在于当单元20从接地断开时将没有无功功率沿着总线30流动。

申请人迄今为止进行的实验表明通过用双级转换器给这里描述的装置(有或者无调光能力)馈电可以获得完全令人满意的结果，其中通过使用功率因子校正器(PFC)功率级来生成用作为向逆变器10的输入的高电压直流输入(图1中的V)。在输入功率等于或者超过25W的照明应用中推荐使用PFC以满足与谐波电流有关的规章。PFC是用以生成允许逆变器10在对于这里设想的应用而言理想的条件下工作的高直流电压的位置。

PFC级通常在中间电容器上生成100Hz正弦电压波纹(约+/-5％)，该波纹往往在连接的各LED单元20的输出电流上传送。

因此感测PFC电压并且将逆变器10的切换频率Fsw在它的工作点周围调制以便补偿这种波纹是有利的。

在图1的框图中，标号80表示与生成输入电压V的PFC级关联(以已知方式)以感测电压V的瞬时值的控制模块。控制模块80作用于开关12a、12b的切换频率Fsw以造成频率Fsw在它的中心值周围的“摇摆”(即摆动)效应与波纹成比例(即与电压V的瞬时值和它的标称值(平均受控电压)之差成比例)。与波纹成比例的这种摆动以如下方式出现，在来自PFC级的瞬时电压高于平均受控电压V时的一半时段中减少频率Fsw(即向下变动(swept)——大约最大值的5-6％)，而在另一半时段中、即当来自PFC级的瞬时电压低于平均受控电压V时增加频率Fsw(即向上变动——相同的数量)。

即使存在这样适度的(10-12％)频率摆动，逆变器频率Fsw仍然是各种LED单元20的去耦阻抗的谐振频率 $\mathrm{Fres}=1/\left(2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}\right)$ 的大约一半。

所描述的频率Fsw的调制/摇摆将造成LED上的100Hz波纹几乎完全地被消除。此外，通过改变逆变器频率Fsw，在由逆变器输出级产生的电磁干扰(EMI)方面实现又一优点。这是因为频率Fsw的调制造成由逆变器10产生的电磁噪声在频率频带内扩展，因此减少各单个谐波的峰值。

可以通过采取来自输入的前馈控制来实施所讨论的补偿方案而无需来自输出的任何反馈、也就是说无需例如分路器、控制器和安全光耦合器的附加部件。

在申请人迄今为止进行的实验中，在图1中所示的装置的情况下实现特别令人满意的结果，其中使用以下参数：

-逆变器10的切换频率Fsw＝48KHz，

-具有+/-25V正弦波纹的400V的直流电压V(典型PFC输出)，

-第一、第二和第三LED单元20的去耦阻抗Zo的值分别为24.25欧姆、12.12欧姆和24.25欧姆。

将理解第三单元20(图1的底部)包括倍压器结构，这意味着单元电流与具有全桥整流的类似单元相比为一半。

附图中的图7包括分别表示为(a)和(b)的两个叠加图表。

参照以ms(毫秒)标记的时间横坐标刻度，表示为(a)的图表示出了流过三个单元20的电流的值。具体而言，上面的曲线代表流过第一单元20、平均电流约为600mA的电流，而下面两条叠加的曲线表示流过其它两个单元、平均电流约为300mA的电流。

叠加到所有三个电流的100Hz的波纹清晰可见。

相反地，图(b)的图表示出了如前文所述当逆变器10的切换周期(也就是频率Fsw)变化时，相同三个电流的时间特性。图7b的图标清楚地示出了如何可以以上述方式实现波纹补偿。

当然，无碍于本发明强调的原理，细节和实施例可以仅作为示例关于前文已经描述的内容明显地变化，而不脱离由所附权利要求限定的本发明范围。

Claims (23)

1.一种用于利用开关功率源(10)来给至少一个电负载(L)馈电的单元(20)，所述开关功率源(10)提供以切换频率(Fsw)切换并且具有给定幅度(Vout)的电压信号，所述单元(20)包括LC去耦阻抗(50)，所述LC去耦阻抗(50)的阻抗值(Zo)限定从所述开关功率源(10)流入所述单元(30)中的电流的强度，其中所述LC去耦阻抗(50)包括LC部件，所述LC部件限定所述去耦阻抗(50)的谐振频率(Fres)，使得所述开关功率源(10)的所述切换频率(Fsw)是所述LC去耦阻抗(50)的所述谐振频率(Fres)的大约一半。

2.根据权利要求1所述的单元，包括介于所述LC去耦阻抗(50)与所述至少一个电负载(L)之间的整流器(22)。

3.根据权利要求1所述的单元，包括介于所述LC去耦阻抗(50)与所述至少一个电负载(L)之间的倍压器(24)。

4.根据权利要求1所述的单元，包括介于所述LC去耦阻抗(50)与所述至少一个电负载(L)之间的电压倍增器。

5.根据权利要求1所述的单元，包括介于所述LC去耦阻抗(50)与所述至少一个电负载(L)之间的变压器(60)。

6.根据权利要求5所述的单元，其中所述变压器(60)的漏电感(Llk)包括在所述LC去耦阻抗(50)的L部件中。

7.根据权利要求5所述的单元，其中所述变压器(60)的漏电感(Llk)组成所述LC去耦阻抗(50)的L部件。

8.根据权利要求5至7中任一权利要求所述的单元，其中所述变压器(60)是自耦变压器。

9.根据任一前述权利要求所述的单元，其中所述至少一个电负载包括光源(L)。

10.根据权利要求9所述的单元，包括用于选择性地对所述光源调光的调光装置(70，72)。

11.根据权利要求10所述的单元，其中所述调光装置包括用于对所述光源(L)进行脉宽调制调光的开关(70)。

12.根据权利要求11所述的单元，其中所述开关(70)是电子开关如MOSFET。

13.根据权利要求11或12所述的单元，其中所述开关(70)被布置用于与所述光源(L)并联连接。

14.根据权利要求11或12所述的单元，其中所述开关(70)被布置用于与所述光源(L)串联连接。

15.根据任一前述权利要求所述的单元，包括所述至少一个电负载(L)。

16.根据任一前述权利要求所述的单元，其中所述至少一个电负载包括发光二极管或者LED(L)。

17.一种电路装置，包括：

-开关功率源(10)，提供以切换频率(Fsw)切换并且具有给定幅度(Vout)的电压信号，以及

-多个单元(20)，连接到所述开关功率源(10)，所述多个单元(20)包括根据权利要求1至15中的任一权利要求所述的单元。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述多个单元(20)经由总线式装置(30)连接到所述功率源(10)。

19.根据权利要求17或18所述的装置，其中所述开关功率源(10)是逆变器如半桥逆变器(10)。

20.根据权利要求17至19中任一权利要求所述的装置，其中所述开关功率源(10)被配置用于经由直流电压源而被供电，所述直流电压源具有向供应到所述开关功率源(10)的标称直流电压(V)叠加的电压波纹，并且其中所述开关功率源(10)包括用于选择性地调整所述切换频率(Fsw)的控制器(80)以在来自所述直流电压源的所述电压由于向所述标称直流电压(V)叠加的所述波纹而分别高于和低于所述标称直流电压(V)时分别减少和增加所述切换频率(Fsw)。

21.一种设计单元(20)的方法，所述单元(20)利用开关功率源(10)来给至少一个电负载(L)馈电，所述开关功率源(10)提供以切换频率(Fsw)切换并且具有给定幅度(Vout)的电压信号，其中所述单元(20)包括LC去耦阻抗(Zo)，所述方法包括以下步骤：选择所述LC去耦阻抗(50)的LC部件以具有谐振频率(Fres)，使得所述开关功率源(10)的所述切换频率(Fsw)是所述LC去耦阻抗(50)的所述谐振频率(Fres)的大约一半。

22.根据权利要求21所述的方法，包括以下步骤：

-限定从所述开关功率源(10)流入所述单元中的期望的电流强度，并且

-根据所述恒定幅度电压(Vout)来选择所述LC去耦阻抗(50)的阻抗值(Zo)以给定所述期望的电流强度，由此所述谐振频率(Fres)和所述阻抗值(Zo)确定用于所述LC去耦阻抗(50)的L部件和C部件的唯一值。

23.根据权利要求21或22所述的方法，包括以下步骤：设计变压器(60)以介于所述LC去耦阻抗(Zo)与所述至少一个电负载(L)之间，所述方法还包括以下步骤：选择用于所述变压器的匝数(N1，N2)以产生用于所述变压器(60)的漏电感(Llk)，所述漏电感(Llk)构成所述LC去耦阻抗(50)的L部件的至少部分。

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